面试问题：Redis (viii)
1. 面试题
2. 锁的特性
单机版同一个jvm虚拟机内，synchronized或者Lock接口
分布式多个不同jvm虚拟机，单机的线程锁机制不再起作用，资源类在不同的服务器之间共享
一个靠谱分布式锁所需的条件
3. 手写分布式锁
3.1 独占性（线程安全）
执行业务代码前进行加锁操作，保证同一时刻仅有一个线程能进行业务操作
/**
* V1.0 原始版本
* 不足：可能出现超卖现象，锁失效（线程安全问题）
* 在单机环境下，可以使用synchronized或Lock来实现。
* 但是在分布式系统中，因为竞争的线程可能不在同一个节点上（同一个jvm中），
* 所以需要一个让所有进程都能访问到的锁来实现(比如redis或者zookeeper来构建)
* 不同进程jvm层面的锁就不管用了，那么可以利用第三方的一个组件，来获取锁，未获取到锁，则阻塞当前想要运行的线程
* @return
*/
public String sale() {
String message = "";
String key = "lgyLock";
lock.lock();
try {
String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory");
Integer inventory = result == null ? 0 : Integer.valueOf(result);
if (inventory > 0) {
System.out.println("库存数量：" + inventory);
int num = inventory - 1;
stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory", String.valueOf(num));
message = "销售成功,剩余" + num + "件" + ",服务端口号:" + port;
} else {
message = "库存不足";
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
return message;
}3.2 高可用（分布式锁）
因为有多个订单模块（nginx轮询调用不同的订单模块进行业务操作），而v1.0的版本只是本地jvm锁，无法解决分布式场景，此时可引入第三方组件进行加锁释放锁判断。从而可用解决跨进程+跨服务问题、超卖问题、缓存击穿等等
/**
* V2.0 改进版本：解决不同线程中锁失效问题
* 不足：在上锁和解锁的过程中会运行其他业务代码，若该订单模块出现故障（宕机）则会发生死锁现象，该key值一直存在，其他线程无法获取到该锁
* @return
*/
public String sale() {
String message = "";
String key = "lgyLock";
String uuidValue = key + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "") + Thread.currentThread().getId();
// 分布式锁：
while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue)) {
try {
// 暂停20毫秒，该锁被去哦他线程获取时会将该线程休眠20毫秒后在尝试获取
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory");
Integer inventory = result == null ? 0 : Integer.valueOf(result);
if (inventory > 0) {
System.out.println("库存数量：" + inventory);
int num = inventory - 1;
stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory", String.valueOf(num));
message = "销售成功,剩余" + num + "件" + ",服务端口号:" + port;
} else {
message = "库存不足";
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放锁
stringRedisTemplate.delete(key);
}
return message;
}3.3 防死锁（宕机）
如部署的微服务Java程序挂了（宕机）从而导致锁一直没有释放，其他正常运行的微服务一直无法获得锁从而引起死锁问题
/**
* V3.0 改进版本：预防可能发生死锁现象
* 不足： 若业务未完成锁到期了会提前释放锁，此时其他线程会进行加锁，在加锁后当前线程完成业务进行释放锁，导致误删其他线程的锁
* @return
*/
public String sale() {
String message = "";
String key = "lgyLock";
String uuidValue = key + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "") + Thread.currentThread().getId();
// 分布式锁：锁设置自动过期时间
while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue, 30L, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
// 暂停20毫秒，锁被其他线程获取后会将当前线程休眠20毫秒后在尝试获取
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory");
Integer inventory = result == null ? 0 : Integer.valueOf(result);
if (inventory > 0) {
System.out.println("库存数量：" + inventory);
int num = inventory - 1;
stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory", String.valueOf(num));
message = "销售成功,剩余" + num + "件" + ",服务端口号:" + port;
} else {
message = "库存不足";
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放锁
stringRedisTemplate.delete(key);
}
return message;
}3.4 不乱抢（误删锁）
如线程1业务还未完成（正在进行），提前释放了锁 （锁过期），线程2进入执行业务代码（还在执行），线程1此时完成并进行释放锁，但线程1加的锁已经释放，此时线程1去释放线程2的锁，出现乱抢问题）
/**
* V4.0 改进版本：解决其他线程误删锁问题
* @return
*/
public String sale() {
String message = "";
String key = "lgyLock";
String uuidValue = key + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "") + Thread.currentThread().getId();
// 分布式锁：锁设置自动过期时间
while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue, 30L, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
// 暂停20毫秒，锁被其他线程获取后会将当前线程休眠20毫秒后在尝试获取
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory");
Integer inventory = result == null ? 0 : Integer.valueOf(result);
if (inventory > 0) {
System.out.println("库存数量：" + inventory);
int num = inventory - 1;
stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory", String.valueOf(num));
message = "销售成功,剩余" + num + "件" + ",服务端口号:" + port;
} else {
message = "库存不足";
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放锁：比较要释放的锁和当前线程的锁是否一致，若一致则释放
if (stringRedisTemplate.opsForValue().get(key).equalsIgnoreCase(uuidValue)) {
stringRedisTemplate.delete(key);
}
}
return message;
}
3.5 原子性（Lua保证原子性）
finall的判断操作和del操作不是原子性的
/**
* V5.0 改进版本：保证执行命令的原子性，使用lua脚本实现
* 不足：不能兼顾可重复性
* @return
*/
public String sale() {
String message = "";
String key = "lgyLock";
String uuidValue = key + UUID.randomUUID().toString().replace("-", "") + Thread.currentThread().getId();
// 分布式锁：锁设置自动过期时间
while (!stringRedisTemplate.opsForValue().setIfAbsent(key, uuidValue, 30L, TimeUnit.SECONDS)) {
try {
// 暂停20毫秒，锁被其他线程获取后会将当前线程休眠20毫秒后在尝试获取
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(20);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
try {
String result = stringRedisTemplate.opsForValue().get("inventory");
Integer inventory = result == null ? 0 : Integer.valueOf(result);
if (inventory > 0) {
System.out.println("库存数量：" + inventory);
int num = inventory - 1;
stringRedisTemplate.opsForValue().set("inventory", String.valueOf(num));
message = "销售成功,剩余" + num + "件" + ",服务端口号:" + port;
} else {
message = "库存不足";
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
// 释放锁：比较要释放的锁和当前线程的锁是否一致，若一致则释放
String luaScript =
"if (redis.call('get',KEYS[1]) == ARGV[1]) then " +
"return redis.call('del',KEYS[1]) " +
"else " +
"return 0 " +
"end";
stringRedisTemplate.execute(new DefaultRedisScript<>(luaScript, Boolean.class), Arrays.asList(key), uuidValue);
}
return message;3.6 重入性（可重入锁）
可重入锁又名递归锁
是指在同一个线程在外层方法获取锁的时候，再进入该线程的内层方法会自动获取锁(前提，锁对象得是同一个对象)，不会因为之前已经获取过还没释放而阻塞。
如果是1个有 synchronized 修饰的递归调用方法，程序第2次进入被自己阻塞了那......
所以Java中ReentrantLock和synchronized都是可重入锁，可重入锁的一个优点是可一定程度避免死锁。
3.6.1 隐式锁
synchronized关键字使用的锁默认是可重入锁
隐式锁指的是可重复可递归调用的锁，在外层使用锁之后，在内层仍然可以使用，并且不发生死锁，这样的锁就叫做可重入锁。
简单的来说就是：在一个synchronized修饰的方法或代码块的内部调用本类的其他synchronized修饰的方法或代码块时，是永远可以得到锁的
与可重入锁相反，不可重入锁不可递归调用，递归调用就发生死锁。
在一个Synchronized修饰的方法或代码块的内部调用本类的其他Synchronized修饰的方法或代码块时，是永远可以得到锁的
public class ReEntryLockDemo
{
public synchronized void m1()
{
System.out.println("-----m1");
m2();
}
public synchronized void m2()
{
System.out.println("-----m2");
m3();
}
public synchronized void m3()
{
System.out.println("-----m3");
}
public static void main(String[] args)
{
ReEntryLockDemo reEntryLockDemo = new ReEntryLockDemo();
reEntryLockDemo.m1();
}
}3.6.2 重入实现机制
每个锁对象拥有一个锁计数器和一个指向持有该锁的线程的指针。
当执行monitorenter时，如果目标锁对象的计数器为零，那么说明它没有被其他线程所持有，Java虚拟机会将该锁对象的持有线程设置为当前线程，并且将其计数器加1。
在目标锁对象的计数器不为零的情况下，如果锁对象的持有线程是当前线程，那么 Java 虚拟机可以将其计数器加1，否则需要等待，直至持有线程释放该锁。
当执行monitorexit时，Java虚拟机则需将锁对象的计数器减1。计数器为零代表锁已被释放。
3.6.3 显示锁
lock使用的是显示锁，加锁几次必须释放锁几次
public class ReEntryLockDemo
{
static Lock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args)
{
new Thread(() -> {
lock.lock();
try
{
System.out.println("----外层调用lock");
lock.lock();
try
{
System.out.println("----内层调用lock");
}finally {
// 这里故意注释，实现加锁次数和释放次数不一样
// 由于加锁次数和释放次数不一样，第二个线程始终无法获取到锁，导致一直在等待。
lock.unlock(); // 正常情况，加锁几次就要解锁几次
}
}finally {
lock.unlock();
}
},"a").start();
new Thread(() -> {
lock.lock();
try
{
System.out.println("b thread----外层调用lock");
}finally {
lock.unlock();
}
},"b").start();
}
}3.7 自动续期
自动续期功能可确保锁的过期时间大于业务执行时间，避免业务还未执行完成锁过期的问题
4. RedLock
4.1 问题引入
手写分布式锁的不足
4.2 解决方案
Redis也提供了Redlock算法，用来实现基于多个实例的分布式锁。
锁变量由多个实例维护，即使有实例发生了故障，锁变量仍然是存在的，客户端还是可以完成锁操作。
该方案也是基于（set 加锁、Lua 脚本解锁）进行改良的，所以redis之父antirez 只描述了差异的地方，大致方案如下。
假设我们有N个Redis主节点，例如 N = 5这些节点是完全独立的，我们不使用复制或任何其他隐式协调系统，
为了取到锁客户端执行以下操作：
该方案为了解决数据不一致的问题，直接舍弃了异步复制只使用 master 节点，同时由于舍弃了 slave，为了保证可用性，引入了 N 个节点，官方建议是 5。阳哥本次教学演示用3台实例来做说明。
客户端只有在满足下面的这两个条件时，才能认为是加锁成功。
条件1：客户端从超过半数（大于等于N/2+1）的Redis实例上成功获取到了锁；
条件2：客户端获取锁的总耗时没有超过锁的有效时间。
这个锁的算法实现了多redis实例的情况，相对于单redis节点来说，优点在于 防止了 单节点故障造成整个服务停止运行的情况且在多节点中锁的设计，及多节点同时崩溃等各种意外情况有自己独特的设计方法。
Redisson 分布式锁支持 MultiLock 机制可以将多个锁合并为一个大锁，对一个大锁进行统一的申请加锁以及释放锁。
最低保证分布式锁的有效性及安全性的要求如下：
1.互斥；任何时刻只能有一个client获取锁
2.释放死锁；即使锁定资源的服务崩溃或者分区，仍然能释放锁
3.容错性；只要多数redis节点（一半以上）在使用，client就可以获取和释放锁
网上讲的基于故障转移实现的redis主从无法真正实现Redlock:
因为redis在进行主从复制时是异步完成的，比如在clientA获取锁后，主redis复制数据到从redis过程中崩溃了，导致没有复制到从redis中，然后从redis选举出一个升级为主redis,造成新的主redis没有clientA 设置的锁，这是clientB尝试获取锁，并且能够成功获取锁，导致互斥失效；